細胞呼吸のバランスの取れた化学式:意味と機能

細胞呼吸 細胞が栄養素をエネルギーに変換するプロセスであり、輸送、移動、高分子の合成などのさまざまな機能に動力を供給します。

細胞呼吸の仕事は、エネルギーに使用される分子であるアデノシン三リン酸を形成することです。この栄養素とアデノシン三リン酸 (ATP) との間の移行はどのように行われるのでしょうか?細胞呼吸のステップは何ですか?

細胞呼吸のためのバランスの取れた化学式（フォーミュラ）

細胞呼吸を表す平衡方程式 (式) は次のとおりです:

C₆ H₁₂ O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂ O + 38 ATP 、または:

この式は、次のように読むこともできます:

グルコース + 酸素 –> 水 + 二酸化炭素 + エネルギー

本質的に、これは細胞呼吸でグルコースと酸素が変換されて、水、二酸化炭素、およびエネルギーになることを意味します。あなたの体は、エネルギーを生成するために、食べたものだけでなく呼吸した酸素も利用しています。

吸い込んだ酸素は食物から糖分を分解し、木材を燃やしてエネルギーを放出するのと同じように熱エネルギーを生成します。細胞呼吸では、糖を分解するために酸素が使用され、糖のエネルギーが放出され、副産物として二酸化炭素が生成されます。放出されたエネルギーは、後で使用するために細胞に保存されます。

細胞によって使用される ATP の一部は、グルコースの変換を引き起こした反応から直接得られます。しかし、その後、酸化的リン酸化と呼ばれる細胞呼吸の段階で大量の ATP が生成されます。好気呼吸 (酸素を使用する好気的意味) のプロセスは、4 つの別個のステップに分けられます。酸化的リン酸化は、細胞呼吸プロセスの最終段階と考えることができます。

細胞呼吸の段階

細胞呼吸の 4 つの段階は、解糖、ピルビン酸の酸化、クエン酸回路、および酸化的リン酸化です。

解糖は、多くの化学変換によってグルコースが他の分子に変換されるステップです。それは細胞のサイトゾルで起こり、酸素の有無にかかわらず実際に機能します.グルコースは6つの炭素を持つ糖であり、好気呼吸では、グルコースは2つのピルビン酸分子に変換されます.ピルビン酸の分子が酸化されると、他の反応に電子を運ぶのに役立つ 2 つの NADH と、2 つの ATP 分子が生成されます。

ピルビン酸の酸化は、ピルビン酸がミトコンドリア (エネルギーを生成する細胞の構造) の最も内側の部分であるミトコンドリア マトリックスに入ると起こります。ミトコンドリア マトリックスでは、ピルビン酸は補酵素 A と結合し、2 炭素分子に変換されます。この新しい構造は「アセチルCoA」として知られています。このプロセスは NADH を生成し、二酸化炭素を放出します。

クエン酸回路 (クレブス回路またはトリカルボン酸回路としても知られています) は、最後のステップで生成されたアセチル CoA がオキサロ酢酸分子と結合する場所です。これはクエン酸の分子を形成し、複雑な反応サイクルを経ます。このサイクルの最終段階では、オキサロ酢酸分子が生成されるため、サイクルを再開できます。サイクル中に、二酸化炭素が放出され、NADH、FADH2、および ATP が生成されます。 NADH と FADH2 の電子は、電子伝達系に送られます。

酸化的リン酸化ステップでは、他のステップで生成された NADH と FADH2 の分子が電子伝達系に電子を落とします。これは、それらがもはや電子を搭載していないことを意味し、より単純な形である NAD+ および FAD に還元されます。次に、電子はトランスポートチェーンを横切って移動し、エネルギーを放出します。このプロセスは、勾配を形成するミトコンドリア マトリックスから陽子を押し出します。プロトンは、ATP 合成酵素と呼ばれる酵素を介してマトリックスに戻り、ATP を生成します。最後に、酸素が電子を受け取り、陽子と結合して水を形成すると、電子伝達系が終了します。

どのくらいの ATP が作られますか?

このプロセス全体でどのくらいの ATP が生成されますか?ほとんどの ATP は、実際には、ミトコンドリア内マトリックスで作成されるプロトン勾配によって生成されます。酸化的リン酸化では約 26 ～ 28 単位の ATP が生成され、基質リン酸化ではさらに約 4 ～ 6 単位生成される可能性があります。ただし、解糖の準備でも少しの ATP が消費されます。つまり、実際には、プロセスの総収量は約 30 単位の ATP になる可能性があります。

嫌気呼吸と発酵

上記のすべてのプロセスは、好気呼吸のプロセスに十分な酸素が利用できることを前提としています。酸素が利用できない場合、代わりに何が起こるかは「嫌気呼吸」であり、その形態は発酵ですか?好気呼吸は嫌気呼吸よりもはるかに効率的で、発酵の約 18 倍のエネルギーを生成します。対照的に、発酵のプロセスでは少量の ATP (2 単位) しか生成されず、場合によっては乳酸も生成されます。

発酵中、ATP は解糖経路を介してのみ抽出されます。解糖系で生成されるピルビン酸は、酸化とクエン酸回路をスキップして残りのプロセスを通過し続けません。また、電子伝達系も通過しません。電子伝達系が機能していないため、NADH はそこに電子を落として NAD+ に還元することができません。

代わりに、解糖によって生成されたNADHからNAD +を生成するために、発酵中にいくつかの余分な反応が存在します.これは、NADH がピルビン酸のような有機分子を使用して、運搬している電子を落とすことによって達成されます。NAD+ の確実な供給は、解糖が機能し続けることができることを意味します。

特定の細胞は、「乳酸発酵」として知られていることを行うことができます。このプロセスでは、NADH が持っている電子をピルビン酸分子に移動させます。これは、乳酸が副産物として生成されることを意味します。ヨーグルトを作るバクテリアの種類は、この乳酸発酵のプロセスを実行しますが、あなたの体の細胞もそうです.あなたの赤血球と筋肉細胞は乳酸発酵を行うことができます.赤血球の場合、ミトコンドリアがなく、好気的な細胞呼吸ができないため、乳酸発酵ができる必要があります。

あなたの筋肉細胞は、非常に激しい運動に使用され、存在していた酸素がすでに使い果たされた後、緊張したときにのみ乳酸発酵を行います.筋肉細胞によって生成された乳酸は、血流によって肝臓に運ばれます。肝臓では、細胞呼吸によって正常に処理されるようにピルビン酸に変換されます。

細胞が呼吸してエネルギーを生成する能力により、細胞は複雑なタスクを実行できます。この能力のおかげで、細胞は私たちが世界で目にする多種多様な生物を形成することができます.